基于不同生物填料的跑道養殖尾水凈化

李倩 王雨辰 郭建林 王剛 胡廷尖 鄭波波 湯美鋒 湯宏展

摘要：為開發生物填料在跑道養殖水體凈化方面的應用，采用不同類型的6種填料，在室內開展對跑道養殖水體凈化效果的研究。結果表明，在自然掛膜條件下，6種生物填料（火山石、珊瑚石、白色彈性毛刷、藍色立體彈性填料、多孔組合球、聚乙烯小球）生物膜的成熟時間各不相同，珊瑚石掛膜所需時間最短，為13 d。在穩定運行期，不同生物填料對跑道養殖尾水總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、亞硝酸鹽氮（NO-2-N）、化學需氧量（CODMn）均有不同程度的去除效果，其中，藍色立體彈性填料對TN和CODMn的平均清除率最高，分別為19.58%和30.77%，顯著高于其他填料（P<0.05）;珊瑚石填料對TP的平均清除率顯著高于其他填料（P<0.05）;6種填料生物膜成熟后，和初始水質指標相比，各填料對水體NO-2-N和NH3-N的去除率均在75%以上，且濃度保持在較低水平。結果表明，藍色立體彈性填料對跑道養殖尾水有較好的凈化效果，是一種較為實用的生物填料。

關鍵詞：跑道養殖;生物填料;尾水凈化

中圖分類號：X52 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2020）13-0276-05

收稿日期：2019-08-16

基金項目：浙江省重點研發計劃（編號：2018C02033、2019C02047）。

作者簡介：李倩（1984—），女，陜西華縣人，碩士，工程師，主要從事魚類繁殖及水處理的研究。E-mail：2008feelkaka@sina.com。

通信作者：郭建林，高級工程師，主要從事設施化養殖技術的研究。E-mail：wavegjl@aliyun.com。跑道式養殖是一個相對封閉的循環養殖系統，在傳統養殖池塘中通過現代土建技術進行改造，把池塘開放式散養模式改變為生態圈養模式，通過對養殖水體的凈化及循環利用，減少污染物排放，以保持養殖區附近的生態環境。具體施工形式可分為池塘內跑道式、池塘分割式和池塘串聯式，池塘內跑道式經濟實用，已經得到較多應用[1-3]。池塘內跑道養殖模式雖然具有養殖密度高、占地小、管理方便等優點，但集中式高密度養殖產生的糞便殘餌等排泄物容易導致水質惡化，引起養殖動物應激反應，甚至出現死亡。因此，對養殖尾水的高效處理是確保跑道養殖順利進行的重要前提。近年來，利用生物膜法處理養殖水體因其效率高、無二次污染的優點受到越來越多的關注，生物填料是生物膜處理工藝的核心部分，它直接影響著生物處理的效果、硝化性能、基建投資、運行周期和費用等[4]。國內外學者對填料的類型、快速啟動、關鍵因子、硝化作用和反硝化作用等進行了深入的研究[5-12]。

本試驗選取6種生物填料作為研究對象，通過室內模擬試驗對6種填料的掛膜情況進行了研究，并應用其對跑道養殖尾水凈化效果進行評估，以期為跑道養殖尾水的凈化提供基礎數據，同時也為填料合理選擇提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗在浙江省淡水水產研究所綜合試驗基地進行，選取6種生物填料分別為火山石、珊瑚石、白色彈性毛刷、藍色立體彈性填料、多孔組合球、聚乙烯小球，填料形貌，由圖1可知，將跑道養殖池塘尾水運進室內塑料水族箱內（容量400 L，實裝尾水250 L），依次放置填料，火山石和珊瑚石等沉性填料平鋪放置，填充量以鋪滿水族箱底面積為準，即2.52 m2/m3水體;彈性填料垂直懸掛于水體中，底部系附墜石使其充分展開，聚乙烯小球和多孔組合球等懸浮型填料漂浮在水面，填充密度為水體的40%，每種填料3個平行。

試驗水溫（25±1） ℃，初始水質指標如下：pH值為7.83，總氮（TN）4.21 mg/L，總磷（TP） 1.32 mg/L，亞硝酸鹽氮（NO-2-N）0.204 mg/L，氨氮（NH3-N）1.71 mg/L，溶解氧（DO）7.55 mg/L，高錳酸鹽指數（CODMn） 25.30 mg/L。連續曝氣， 整

個試驗期間系統溶解氧維持在7 mg/L以上。

1.2樣品采集

在生物膜培養期間，每2～3 d取樣1次，檢測水體NO-2-N指標，生物膜成熟后，每7 d取樣1次，分別檢測TN[13]、TP[14]、NH3-N[15]、NO-2-N[16]、CODMn[17]等指標，所用試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.3數據處理

生物膜成熟后每7 d取水樣測定水質指標，計算各填料對污染物的清除率，計算公式如下：清除率=Ci-Ci+1Ci×100%;其中，Ci為生物膜成熟后第i次取樣測定的污染物濃度值（mg/L），Ci+1為第i+1次取樣測定的污染物濃值（mg/L），取3次測定的清除率均值作為平均清除率。數據和圖表采用Excel處理，SPSS 16.0進行顯著性分析，P<0.05時認為差異顯著。

2結果與分析

2.16種生物填料的掛膜成熟時間

生物膜培養成熟的標志是水體中NO-2-N濃度降至最低，硝化系統完全建立[18]。在生物膜培養期間，6種填料構建的生物濾池水體中，亞硝酸鹽的濃度先上升后降低，最后保持較低水平。由圖2可知，由不同填料構建的生物濾池中，M2（珊瑚石填料）的NO-2-N濃度在7月15日降至最低，其成熟時間為13 d;M6（聚乙烯小球）NO-2-N濃度在7月17日降至最低，成熟時間為15 d，M1（火山石）和M5（多孔組合球）NO2-N濃度在7月19日最低，成熟時間17 d，2種彈性毛刷填料（M3和M4）的生物膜成熟時間相同，均為19 d。在相同的培養條件下，6種填料的成熟時間依次為珊瑚石<聚乙烯小球<火山石、多孔組合球<2種毛刷填料。

2.26種生物填料對TN的凈化作用

6種填料對TN的清除效果，由圖3-A可知，當生物膜成熟后，4次采樣結果顯示，各填料對應的生物濾池水體中TN濃度隨著采樣次數的增加逐漸降低，藍色立體彈性填料對應的生物濾池TN含量最低，為4.4 mg/L。從平均清除率分析，藍色立體彈性填料對TN的平均清除率最高，為19.58%，其次為珊瑚石，這2種填料對TN的平均清除率顯著高于其他4種填料（P< 0.05）。火山石、白色彈性毛刷、聚乙烯小球、多孔組合球等4種填料對TN的平均清除率無顯著差異（P> 0.05）。

2.36種生物填料對TP的凈化作用

各填料對水體中TP均有一定程度的清除效果，且平均清除率差異較大（圖3-B）。珊瑚石填料對跑道養殖尾水TP平均清除率最高，為14.79%，顯著高于其他填料（P<0.05）。藍色立體彈性填料次之，平均清除率為12.29%，這2種填料對TP的平均清除率顯著高于其他4種填料（P<0.05）。從生物濾池水體TP濃度分析，珊瑚石填料對應水體TP濃度為0.39 mg/L，明顯低于其他填料對應的生物濾池。

2.46種生物填料對CODMn的凈化作用

由圖3-C可知，各填料對CODMn的清除率變化趨勢相同，均隨著采樣次數的增加而有所下降。從平均清除率分析，藍色立體彈性填料對CODMn的清除效果最高，平均清除率為30.77%，顯著高于其他填料（P< 0.05），其次為聚乙烯小球，為24.35%，其他4種生物填料對CODMn的平均清除率多無顯著差異（P>0.05）。

2.56種生物填料對NO-2-N和NH-3-N的凈化作用

掛膜成功后，各生物濾池水體中NO-2-N含量較低，濃度維持在0.06 mg/L以下，和初始水質指標相比（0.204 mg/L），各填料對水體NO-2-N去除率均在75%以上，且在4次采樣期間，NO-2-N含量波動較小，表明掛膜成功的各填料對跑道養殖尾水NO-2-N均有較好的去除效果（圖4-A）。各生物濾池水體中NH-3-N含量在采樣后期雖有上升趨勢（圖4-B），但濃度均<0.4 mg/L。和初始水質指標相比（濃度1.71 mg/L），各填料對水體中NH-3-N均有較好的清除效果，平均清除率在76%以上。其中，珊瑚石對水體NH-3-N清除效果最好，但和各填料之間差異不顯著（P>0.05）。

3討論與結論

3.16種生物填料掛膜時間

本研究表明，在相同的進水條件下，6種生物填料的掛膜時間在20 d以內，毛刷類型填料掛膜所需時間較長，而多孔型的珊瑚石、火山石等填料所需時間相對較短，這可能和填料材質有關。有研究表明，在自然掛膜狀態下，生物濾池的掛膜時間在 20～60 d不等，而基質的粗糙度是生物膜形成的最主要影響因素[19-22]。珊瑚石、火山石填料表面粗

糙，內部有孔隙，比表面積較大，附著于表面的硝化細菌也較多，有利于細菌的繁殖，掛膜時間也較短。

課題組之前的研究也采用本試驗中的白色彈性毛刷和聚乙烯小球填料對循環水養殖系統的水質進行凈化研究，結果顯示，在自然掛膜條件下，2種生物填料的掛膜時間均大于本試驗結果[11]，這可能和初始水質污染物濃度有關。生物膜的成熟時間和初始氨氮濃度有關，初始氨氮濃度越高，越有利于硝化細菌在生物膜上聚集，生物膜上的細菌數量和優勢菌就越多[23]。本試驗用水為跑道養殖尾水，養殖密度大、水體中污染物濃度較高，在氣溫較高的養殖季節，氨氮濃度高達1.70 mg/L，生物濾池的初始氨氮濃度越高，氨氮的去除率越高，達到氨氮濃度穩定的所需時間越短，掛膜時間較短，這和朱建新等的研究結果[24]一致。

3.26種生物填料對跑道養殖尾水凈化能力分析

在本試驗中，6種填料對氨氮和亞硝態氮的去除效果良好。當生物膜掛膜成功后，水體中氨氮和亞硝態氮含量雖有波動，但均維持在安全濃度以下。和傳統的池塘養殖模式相比，跑道養殖模式養殖密度大，污染物含量高，在試驗初始階段，COD值高達25.3 mg/L，水體中的有機物和顆粒物等為細菌繁殖提供了豐富的碳源，有利于異養細菌繁殖。生物膜中的異養細菌和硝化細菌存在著生長競爭關系，在試驗剛開始時，異養細菌成為優勢菌，水體中氨氮和亞硝氮濃度升高，促進硝化細菌生長，當二者達到動態平衡時，水體中氨氮和亞硝氮保持穩定，這時生物膜掛膜成功。生物膜掛膜成功后，由于靜態試驗沒有額外碳源和氮源補充，隨著試驗時間的延長，水體中可被細菌利用的營養物減少，硝化細菌數量下降，系統消氮能力下降，導致填料對TN、TP、COD的去除率隨著試驗時間的延長而降低。

本試驗選取3種不同類型的填料，沉淀式（M1、M2）、固定式（M3、M4）和懸浮式（M5、M6），在穩定運行期間，固定式填料（藍色立體彈性填料M4）對TN、COD的去除率顯著高于懸浮式填料（P<0.05），此結果和吉芳英等的研究結果[25]相似。原因可能為，生物填料的安裝方式對生物膜的運行性能有一定的影響，固定式填料系統在曝氣過程中可以營造良好的溶解氧分區，容易形成具有一定厚度且穩定的生物膜，有利于宏觀硝化、反硝化過程的發生，也有利于微觀反硝化作用的發生，有利于提高系統的脫氮作用[26]，導致藍色立體彈性填料對TN、COD的去除率高于其他組。珊瑚石對TP的清除率顯著高于其他填料（P<0.05），這可能是由于珊瑚石主要由Ca2+和Mg2+等離子構成，隨著微生物的好氧呼吸和對有機物的降解作用，生物膜局部環境水體pH值下降，大量的H+使珊瑚石中的Ca2+和Mg2+大量釋放，Ca2+和Mg2+與水體中磷酸根離子發生了絡合形成沉淀物，從而提高了生物濾池的除磷能力[27]。

3.3同類型的2種彈性毛刷對跑道養殖尾水凈化能力分析

本試驗選用了同種類型的2種毛刷填料，即生產中常用的普通白色毛刷和市場新開發的新型藍色立體彈性填料。在掛膜時間上，藍色立體彈性填料和普通彈性毛刷掛膜時間相同，但從污染物凈化能力分析，前者對水體TN、TP和COD平均清除率顯著高于后者（P<0.05）。藍色立體彈性填料采用全新原料所制，拉制的刷絲密度更高、延展性更好、不易被細菌分解、結構穩定性更強，可為細菌生長提供更大的比表面積，這種良好的物理特性決定了其對污染物的去除效率高于普通白色毛刷。有關普通白色毛刷的凈水能力、掛膜時間、生物膜微生物群落多樣性等方面已有較多報道[11，18，28-29]，但對新型藍色立體彈性填料的相關研究鮮有報道，實際應用也較少，有關其凈化能力和生物膜微生物群落多樣性的關系有待進一步研究。本試驗中，在2種毛刷放置密度相同的條件下，藍色立體彈性填料對跑道養殖尾水有更好的凈化效果，但從應用成本考慮，藍色立體彈性填料價格較高，應用成本也較高，下一步應在如何設置合理的放置密度和安裝方式以減少應用成本方面進行深入研究。

在處理高濃度污染物的跑道養殖尾水時，從掛膜時間分析，珊瑚石填料掛膜所需時間最短，可為實際養殖生產節省時間成本。但從實際生產應用考慮，珊瑚石填料需要將其裝袋安裝使用，過程較為繁瑣，耗費人力物力。從可操作性和對水體污染物凈化能力兩方面考慮，藍色立體彈性填料是一種較為實用的填料，值得推廣應用。

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